Czym jest ceramiczne PCB?

Ceramiczne PCB, skrót od ceramicznej płytki drukowanej, to zaawansowany rodzaj płytki drukowanej. Oferuje doskonałą wydajność i niezawodność, szczególnie w zaawansowanych zastosowaniach elektronicznych o ścisłych wymaganiach. W przeciwieństwie do tradycyjnych płytek drukowanych wykonanych z materiałów organicznych, takich jak włókno szklane lub żywica epoksydowa, ceramiczne PCB wykorzystują materiały ceramiczne, które zapewniają unikalną wydajność i funkcje. Ze względu na swoją wydajność rozpraszania ciepła, zdolność przenoszenia prądu, izolację i współczynnik rozszerzalności cieplnej, ceramiczne PCB są szeroko stosowane w modułach elektronicznych dużej mocy, w przemyśle lotniczym i kosmicznym oraz w elektronice wojskowej. Ceramiczne PCB wykorzystują klejenie do łączenia folii miedzianej z podłożem ceramicznym w wysokiej temperaturze. W tym przypadku ceramiczne PCB mają silną siłę wiązania, folia miedziana nie odpada łatwo, zapewniając wysoką niezawodność i stabilną wysoką wydajność w środowisku o wysokiej temperaturze i wilgotności.

Najczęściej stosowane materiały do ceramicznych PCB

Do produkcji ceramicznych PCB można wykorzystać wiele materiałów. Wybierając materiał do ceramicznego PCB, projektant musi zwrócić uwagę na dwie podstawowe specyfikacje: przewodność cieplną PCB i współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE). Poniżej omówimy najczęściej stosowane materiały do ceramicznych PCB.

1. Tlenek glinu (Al2O3)

Tlenek glinu jest najczęściej stosowanym materiałem podłożowym w podłożach ceramicznych, ponieważ ma wysoką wytrzymałość i stabilność chemiczną w porównaniu z większością innych ceramik tlenkowych pod względem właściwości mechanicznych, termicznych i elektrycznych, a źródło surowców jest obfite, co nadaje się do różnych procesów produkcyjnych i różnych kształtów. Według procentowej zawartości tlenku glinu (Al2O3) można go podzielić na porcelanę 75, porcelanę 96 i porcelanę 99,5. Właściwości elektryczne są prawie nie naruszone przez różną zawartość tlenku glinu, ale jego właściwości mechaniczne i przewodność cieplna znacznie się różnią. W podłożach o niskiej czystości jest więcej faz szklistych, a chropowatość powierzchni jest duża. Im wyższa czystość podłoża, tym gładsze, gęstsze i niższe straty dielektryczne, ale wyższa cena.

2. BeO

Ma wyższą przewodność cieplną niż aluminium metaliczne i jest stosowany w sytuacjach wymagających wysokiej przewodności cieplnej. Temperatura szybko spada po przekroczeniu 300°C, ale jego rozwój jest ograniczony przez toksyczność.

3. AlN

Ceramika azotku glinu to ceramika z proszkiem azotku glinu jako główną fazą krystaliczną. W porównaniu z podłożami ceramicznymi z tlenku glinu, ma wyższą rezystancję izolacji i wytrzymałość dielektryczną oraz niższy stały współczynnik dielektryczny. Jego przewodność cieplna jest 7 do 10 razy większa niż Al2O3, a współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) jest w przybliżeniu dopasowany do płytek krzemowych, co jest kluczowe dla układów scalonych dużej mocy. Pod względem procesu produkcji, przewodność cieplna AlN jest w dużej mierze zależna od zawartości zanieczyszczeń tlenkowych. Zmniejszenie zawartości tlenu może znacząco poprawić przewodność cieplną.

Ceramiczne PCB dwustronne

Rodzaje ceramicznych PCB

Istnieją różne typy i specyfikacje ceramicznych PCB, każdy typ jest zaprojektowany i używany w celu zaspokojenia specyficznych zastosowań i wymagań. Oto niektóre z popularnych typów ceramicznych PCB;

1. Jednostronne ceramiczne PCB:Jest to podstawowe ceramiczne PCB, z jedną warstwą przewodzącą na podłożu ceramicznym. Zazwyczaj jest używane w zastosowaniach wymagających wysokiej przewodności cieplnej, ale nie wymagających skomplikowanego obwodu.
2. Wielowarstwowe PCB:Nadaje się do skomplikowanych projektów obwodów, wysokiej gęstości połączeń i zastosowań wymagających integralności sygnału.
3. Grubowarstwowe PCB:Technologia grubowarstwowa jest używana do tworzenia ścieżek przewodzących i rezystancyjnych na ceramicznym PCB. Grubowarstwowe PCB słynie z trwałości, może dobrze działać w środowiskach motoryzacyjnych i przemysłowych oraz w innych zastosowaniach w trudnych warunkach.

Ceramiczne PCB można również podzielić na różne typy w zależności od procesów produkcyjnych;

1. Ceramiczne PCB z bezpośrednim metalizowaniem (DPC):Jest to technologia przetwarzania obwodów ceramicznych opracowana w oparciu o przetwarzanie cienkich warstw ceramicznych. Azotek glinu/ceramika tlenku glinu są używane jako podłoże obwodu, warstwa metalu jest kompozytowa na powierzchni podłoża przez napylanie, a obwód jest formowany przez galwanizację i fotolitografię.
2. Ceramiczne PCB z metalizacją aktywowaną laserowo (LAM):Charakteryzuje się wysoką precyzją i dobrą siłą wiązania. Warstwę przewodzącą można dostosować od 1μm do 1mm, a użycie czystej miedzi zamiast pasty srebrnej rozwiązuje problem przewodności otworów i siły wiązania, a ogólna wydajność jest bardziej stabilna.
3. Ceramiczne PCB z bezpośrednio spawaną miedzią (DBC):Metodą DBC wprowadza się odpowiednią ilość tlenu między miedź a ceramikę przed lub podczas procesu osadzania. Metoda ta jest stosowana, gdy wymagane są wysokie grubości miedzi od 140 µm (4 oz) do 350 µm (10 oz).
4. Ceramiczne PCB spieki niskotemperaturowe (LTCC):Technologia LTCC wykorzystuje tę samą metodę co kondensatory do tworzenia różnych urządzeń ceramicznych. Są one umieszczane w piecu do spiekania w temperaturze 850-900°C. Aby osiągnąć połączenie elektryczne między warstwami, należy wykonać otwory przed drukowaniem i wypełnić je pastą srebrną.
5. Ceramiczne PCB spieki wysokotemperaturowe (HTCC):Podczas procesu produkcyjnego nie dodaje się materiału szklanego. Różnica między HTCC a LTCC polega na tym, że ceramiczne PCB HTCC są wypalane w temperaturze około 1600-1700 °C w atmosferze gazowej. Ceramiczne PCB HTCC mają tak wysoką temperaturę spiekania, że wykorzystują ścieżki obwodów wykonane z metali o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak wolfram, molibden lub mangan. W wysokich temperaturach te PCB mogą działać prawidłowo bez żadnych uszkodzeń, ponieważ są zaprojektowane do pracy nawet w trudnych warunkach.

 

Zalety ceramicznych PCB

Ceramiczne PCB mają wiele zalet, co czyni je dobrym wyborem do zastosowań wymagających wysokiej wydajności, niezawodności i efektywności.

1. Wysoka przewodność cieplna:Materiały ceramiczne takie jak Al2O3, AlN, SiC itp. mają doskonałą przewodność cieplną. Oznacza to, że ceramiczne PCB mogą skutecznie rozpraszać ciepło, aby uniknąć przegrzania i zapewnić normalne i niezawodne działanie urządzeń elektronicznych dużej mocy.
2. Doskonałe właściwości elektryczne:Materiał ceramiczny ma niskie straty dielektryczne i dobre właściwości elektryczne, zwłaszcza w wysokich częstotliwościach. Dzięki temu ceramiczne PCB doskonale nadają się do stosowania w obwodach radiowych, mikrofalowych i szybkich obwodach cyfrowych oraz podobnych zastosowaniach, ponieważ integralność sygnału i niskie straty sygnału są bardzo ważne.
3. Wytrzymałość mechaniczna i trwałość:W porównaniu z organicznymi PCB, ceramiczne PCB mają lepszą wytrzymałość mechaniczną i sztywność. Sztywność sprawia, że ceramiczne PCB mogą wytrzymać naprężenia mechaniczne, wibracje i wstrząsy, zapewniając lepszą przydatność w trudnych warunkach.
4. Odporność chemiczna:Ceramika ma silną odporność na chemikalia, roztwory, kwasy i zasady. Ta odporność sprawia, że ceramiczne PCB idealnie nadają się do zastosowań w branżach, gdzie częsty kontakt z agresywnymi chemikaliami jest powszechny, takich jak przemysł motoryzacyjny, lotniczy i przemysłowy.
5. Odporność na wysokie temperatury:W porównaniu z tradycyjnymi organicznymi PCB, ceramiczne PCB mogą wytrzymać wyższe temperatury, co jest bardzo ważne dla przemysłu motoryzacyjnego i lotniczego, ponieważ produkty elektroniczne muszą działać niezawodnie w wysokich temperaturach.
6. Mniejsze rozmiary:Ceramiczne PCB mogą przyjmować drobne obwody, mniejsze komponenty i wysoką gęstość połączeń, dzięki czemu projektanci mogą tworzyć zwarte układy. Ta cecha jest ważna dla zastosowań wymagających mniejszych rozmiarów bez poświęcania wydajności.
7. Integralność sygnału: Ceramiczne PCB mogą zapewnić doskonałą integralność sygnału dzięki niskiemu współczynnikowi strat dielektrycznych i wysokiej stałej dielektrycznej, szczególnie w wysokich częstotliwościach. Dzięki tej funkcji ceramiczne PCB nadają się do szybkiej transmisji danych i systemów komunikacyjnych.
8. Kompatybilność ze środowiskiem trudnym:Ponieważ ceramika ma właściwości odporności na ciepło i chemikalia, może dobrze działać w trudnych warunkach, na przykład podczas eksploracji ropy i gazu, w zastosowaniach lotniczych i wojskowych.
9. Niezawodność i długi czas eksploatacji:Połączenie wysokiej wydajności termicznej, wytrzymałości i odporności chemicznej przyczynia się do długoterminowej niezawodności ceramicznych PCB, zmniejszając ryzyko awarii i wydłużając żywotność urządzeń elektronicznych.
10. Dostępne na zamówienie:Ceramiczne PCB można dostosować do konkretnych wymagań projektowych, w tym materiału bazowego, konfiguracji warstw, układu, lokalizacji komponentów, co zapewnia projektantom optymalizację obwodu w zależności od zastosowania.
11. Wydajność EMI/EMC:Materiały ceramiczne naturalnie oferują lepszą wydajność w zakresie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) dzięki swoim właściwościom elektrycznym i możliwościom ekranowania.

Widok boczny ceramicznego PCB

Wady ceramicznych PCB

Jak wspomnieliśmy powyżej, ceramiczne PCB mają wiele zalet w porównaniu z innymi PCB, ale nadal istnieją pewne potencjalne wady, które należy wziąć pod uwagę.

1. Kruchość:Ze względu na pierwotne właściwości ceramiki, jest ona krucha podczas obsługi, montażu i testowania. Personel inżynieryjny musi zatem zwracać większą uwagę na ceramiczne PCB w wymienionych procesach.
2. Rozważania kosztowe:Ceramika jest materiałem o rozsądnej cenie. Jednak po uwzględnieniu wszystkich czynników, jest ona nadal znacznie droższa niż tradycyjne PCB. Projektant musi zatem rozważyć, czy projekt ceramicznego PCB jest bardziej opłacalnym rozwiązaniem.

Zastosowania ceramicznych PCB

• Moduły elektroniczne dużej mocy, komponenty baterii słonecznych
• Wysokiej częstotliwości przełączniki mocy, przekaźniki półprzewodnikowe
• Elektronika motoryzacyjna, produkty lotnicze i wojskowe
• Produkty oświetleniowe LED dużej mocy
• Anteny telekomunikacyjne, samochodowe zapalniczki

Ceramiczne PCB stały się idealnym wyborem do zastosowań dużej mocy i wysokiej częstotliwości ze względu na doskonałą przewodność cieplną, wysoką stabilność i doskonałą wydajność. W dziedzinach 5G i nowej energii napędzają technologię elektroniczną w kierunku bardziej wydajnym i niezawodnym, będąc kluczowym materiałem dla przyszłej zaawansowanej produkcji elektronicznej.

Jerico PCB od 16 lat, od 2009 roku, intensywnie zajmuje się produkcją ceramicznych PCB. Wspieraliśmy setki projektów od koncepcji po prototypy aż po masową produkcję dzięki naszym niezawodnym i wydajnym usługom produkcji ceramicznych PCB w obszarach nowych energii i telekomunikacji. Wierzymy, że jeśli będziemy robić to, w czym jesteśmy dobrzy, staniemy się bardziej profesjonalni z każdym dniem dzięki wsparciu i zaufaniu naszych klientów. Porozmawiajmy dziś o Twoim projekcie ceramicznego PCB i zobaczmy, jak możemy przyczynić się do Twojego sukcesu.